IMS业务会话在3G和WLAN间的切换方案研究

南京邮电大学 通信与信息工程学院 江苏 南京 210003

本文介绍了3GPP R6版本中的3G-WLAN融合网络架构，分析了其移动性管理机制的不足，然后在分析比较了潜在的移动性管理协议后，提出了基于SIP协议实现3G/WLAN间IMS业务会话的切换方案，并探讨了进一步改进的思路。

　　关键词: IMS，3GPP，WLAN，SIP，MIPv4，切换

一、前 言

　　3G和WLAN是两类优势互补的技术。3G能够提供广域覆盖，而WLAN适合在局部热点地区提供更高的数据速率。3G/WLAN的融合可以为用户提供更好的服务，并给运营商的网络投资和运营带来收益。在网络融合大形势下，3G/WLAN的融合还可为下一代异构融合网络的发展积累宝贵经验，因此具有十分重要的意义。

　　3GPP自R6版本开始制定3G-WLAN互通融合规范。目前R6版本中的3G-WLAN互通架构已经可以支持3G用户从WLAN中接入3GPP分组域IMS业务。但遗憾的是，R6规范中尚不支持3G/WLAN间IMS业务的连续性，即当用户在3G/WLAN之间垂直切换时，正在进行的IMS业务会话会终止。这种移动性管理机制的不足必将影响用户对IMS业务的体验和满意度，因此有必要研究IMS业务在3G和WLAN间的垂直切换问题，以支持3G/WLAN间IMS业务会话的连续性。

　　本文首先介绍3GPP R6版本3G-WLAN融合网络架构，并分析其在移动性管理机制上的不足，然后在分析比较了潜在的移动性管理协议后，提出了基于SIP实现3G/WLAN间IMS业务会话切换和会话优化的方案，最后探讨了进一步改进的思路。

二、3GPP R6版本中的3G-WLAN融合网络架构

　　3GPP制定3G-WLAN互通融合规范的目的是将3GPP网络的业务和功能扩展到WLAN接入环境中，从而使WLAN有效地成为3GPP系统的补充接入技术。IMS域将独立于接入系统，3G用户可以通过WLAN访问IMS业务，并且统一使用基于3GPP系统的鉴权和计费。WLAN接入网内部技术由IEEE 802.11系统标准规定，WLAN与3GPP互通融合相关的鉴权、计费和漫游等由3GPP规定。

3GPP R6版本中建议的3G-WLAN融合架构如图1所示。为了实现3G-WLAN融合，3GPP新增加的设备主要有:

●WLAN UE: 带有UICC/SIM卡的WLAN终端或3G/WLAN双模终端;

●AAA Server/Proxy: AAA服务器/代理，负责提供用户鉴权、业务授权和计费功能，作代理时负责中继AAA信息;

●WAG: WLAN接入网关，负责为进出WLAN接入网的分组选路，还有分组过滤和计费信息采集等功能;

●PDG: 分组数据网关，功能类似3G核心网分组域中的GGSN，负责IP地址管理、分组路由、隧道端点处理、业务选择和授权、策略执行、计费信息采集等。

另外下列3GPP中已有的设备需增加为WLAN UE服务的能力:

●HSS: 归属用户服务器，存储管理用户的鉴权数据和签约信息;

●计费功能: OCS(在线计费系统)和CGW/CCF(计费网关/计费采集功能)分别用来进行在线计费和离线计费。

WLAN UE为了访问3GPP IMS业务，首先需要经过3GPP AAA服务器鉴权认证并获得业务授权，然后WLAN UE和PDG之间建立端到端隧道，之后WLAN UE便可通过PDG访问3GPP IMS域了。

尽管3GPP R6版本中建议的3G-WLAN融合网络基本实现了统一的AAA和IMS业务提供，但在移动性管理机制上还有很大的不足，只能支持简单的漫游移动性(即3G用户可从有漫游协议的WLAN中接入IMS业务)，不支持3G/WLAN间的无缝移动性。用户在3G/WLAN之间垂直切换时，现有机制无法保证IMS业务会话的连续性，正在进行的IMS会话会终止。这必将直接影响用户对IMS业务的体验和满意度，因此有必要进一步研究完善3G/WLAN融合网络的移动性管理机制，以支持在3G-WLAN融合网络中提供无缝连续的IMS业务。

三、切换方案的设计背景

1. 垂直切换的基本概念

垂直切换是指在采用不同技术的网络之间的切换。垂直切换主要包括三个步骤:

(1)系统搜索过程: 移动节点通过系统搜索检测，了解当前哪个无线网络是可接入的;

(2)切换决策过程: 移动节点对可接入网络进行评估分析，然后作出切换决策;

(3)切换执行过程: 若移动节点决定进行垂直切换，则根据移动性管理协议执行相应的切换过程。

本文中我们将基于合适的移动性管理协议，提出支持3G和WLAN间IMS业务会话无缝连续性的切换执行过程。

2. 潜在的移动性管理协议

传统的移动性管理协议(如2G/2.5G)大多是物理层或链路层的协议，与底层网络密切相关，因此只能针对特定的同一类移动通信系统，不适合在异构网络间提供无缝业务和移动性。异构网络间的移动性一般可以由网络层或应用层的移动性管理协议支持。

(1)MIPv4

移动IP (MIP) 是由IETF提出的网络层移动性管理协议。MIP现有MIPv4和MIPv6两个版本，分别用于IPv4和IPv6网络环境。鉴于基于IPv4的IMS可能最先实施，本文先只分析MIPv4。

MIPv4规定移动节点(MN)使用一对IP地址，即一个固定的归属地址(HoA)和一个在外地网络临时使用的转交地址(CoA)。对端通信节点(CN)只需要知道MN的固定HoA，便可经家乡代理(HA)将数据包通过隧道送至MN当前的位置。因此MIP可以向上层应用屏蔽MN的IP地址的变化，从而在网络层为各种基于IP的应用提供透明的移动性支持。

MIPv4的一个主要问题是三角路由问题，CN发往MN的数据包必须经过HA，而从MN发往CN的数据包直接发送，这在MN远离HA而CN又和MN相邻的情况下尤其显得效率低下。三角路由是十分有害的，它不仅增加了数据包的传输时延，不利于对实时性要求较高的RTP包传输，而且还会增加网络的负荷，容易引起HA处的路由瓶颈。

　　(2) SIP

　　会话启始协议(SIP)是一个轻型的多用途工具，简单灵活，功能强大，受到业界推崇。它是IETF提出的，主要是作为IP网络上进行多媒体通信的应用层信令控制协议，可以用来建立、修改和终止多媒体会话。SIP与会话描述协议(SDP)配合，可动态调整和修改会话属性，如媒体类型或双方的编解码格式等。IMS就是采用SIP作为多媒体会话控制协议。除了会话控制外，SIP也可以提供对终端移动性、个人移动性和会话移动性的支持。

　　其中SIP对呼叫中的移动性支持如图3所示，假设MN和CN正在会话过程中，MN移动到新网络改变IP地址后，通过发送一个re-INVITE消息来通知CN自己的新IP 地址和更新过的会话描述信息，CN对re-INVITE消息做出响应，并调整媒体流以使用新的直接优化路由。为了使送给MN的呼叫能转发到其新的IP 地址，MN还必须要发送REGISTER 消息向其归属网中的SIP服务器重新注册。

　　3. MIPv4与SIP协议的分析比较

　　从协议本身的特点来看，MIPv4和SIP各具特色。

　　(1) MIPv4相对于SIP的主要优势

　　①MIPv4是基于网络层的协议，可以透明的支持上层TCP/UDP连接的移动性，而SIP是应用层协议，不能对TCP提供透明的移动性支持;

　　②MIPv4是面向字节流的网络层协议，而SIP基于文本格式的应用层协议，所以在消息处理时延和信令开销方面，MIPv4的性能一般优于SIP。

　　(2)SIP相对于MIPv4的主要优势

　　①IP地址方面，MIPv4中要求MN同时使用两个IP地址(固定的HoA和动态的CoA)，尤其是为必须每个终端分配一个固定的家乡IP地址，使IPv4地址资源更加紧张。而SIP 使用逻辑地址SIP URI 标识用户，MN 不需要绑定固定的IP 地址，这将缓解IPv4地址资源紧张的问题。

　　②MIPv4中信令和用户数据流同时传输，而SIP协议以纯信令的方式实现，连接建立好后才开始传输数据流，会话中的信令也是采用与用户数据流分离的方式，这样更加灵活，有利于分散网络负荷。

　　③MIPv4中存在三角路由问题，使数据传输时延增大，不适合支持对延时敏感的实时业务，并且隧道封装处理增长了数据包头，降低了传输效率。SIP不存在三角路由问题，支持优化路由，不需要隧道封装，适合支持实时业务。

　　④MIPv4只能支持终端移动性，而SIP支持更广泛的移动性，除了支持终端移动性外，还支持个人移动性、会话移动性等，十分灵活，扩展性好。

　　⑤MIPv4实施难度大，需增加HA，FA等设备，并修改MN的IP协议栈，目前商用进程缓慢。而SIP是基于应用层的，具有配置方便、简单、易管理、易扩展的特点。尤其目前SIP已被IMS用作多媒体会话控制信令，在此基础上增加对移动性的支持容易实施，用户只需要简单地安装应用层软件即可，基本不需要修改IP协议栈和增加基础设施。

　　四、 IMS业务会话的垂直切换方案

　　1. IMS业务会话对切换方案的要求

　　理论上讲，3G/WLAN间的IMS业务的垂直切换可以基于网络层的MIPv4协议或者基于应用层的SIP移动性协议实现。上一节中对于MIPv4和SIP的比较，主要是从协议本身的特点来看的，并没有考虑与具体应用相结合。下面我们结合IMS业务自身的特点，进一步分析适合支持IMS业务在3G/WLAN间无缝切换的移动性管理协议。

　　(1)IMS中的业务主要是实时业务

　　IMS中有大量实时多媒体业务，如多媒体可视呼叫、多方视频会议、流媒体应用、Push-to-X (Push-to-Talk, Push-to-Show)业务等。这些业务中的语音和视频数据一般使用RTP 协议在UDP上传输, 要求传输低延迟以及高带宽利用率。MIPv4存在的三角路由问题会增加RTP数据包的传输延时，隧道封装降低了传输效率，这对于实时业务都是十分不利的。SIP支持优化路由，不需要隧道封装，相对更适合支持实时业务的移动性。

(2)多媒体会话参数需要及时优化

对于多媒体业务而言，为了带给用户更好的业务体验，上层应用最好能够根据网络情况的变化及时调整业务参数。3G和WLAN接入网的特点和能力(如可用带宽、本地策略等)不同，一些业务参数在新的网络中不一定能很好地支持，因此在垂直切换时，适当调整正在进行的IMS业务会话以适应新网络的特性是十分必要的。例如当用户从高带宽的WLAN切换到低带宽的3G接入网时，正在进行的多媒体业务中使用的高质量音频/视频编解码器可能需要调整为质量低一些的。

MIPv4在网络层，对上层应用屏蔽网络的变化，应用层无法根据网络变化及时调整优化会话参数，这对于多媒体业务来说是不利的，尤其是当用户从高带宽网络的WLAN向低带宽UMTS接入网切换时，业务的性能无法得到保障。当SIP作为移动性管理协议是就可以让上层应用感知网络的变化，以便及时调整会话，优化多媒体业务的性能，带给用户更好的业务体验。

(3)移动性管理协议需要与SIP会话控制过程交互

IMS采用SIP作为多媒体会话控制信令，(2)中提到的会话参数调整过程也是通过SIP信令实现的，所以不管选用何种移动性管理协议，必然涉及到与SIP会话控制过程的交互问题。

MIPv4涉及到跟SIP应用的会话控制交互时，通信会变得复杂而矛盾，因为当MIPv4向上层应用会话屏蔽网络的变化的同时，SIP会话控制过程又想通过发送re-INVITE消息调整优化会话参数以适应新网络的特性。这样形成了矛盾，MIP屏蔽网络变化失去了意义，而且不利于上层应用及时感知网络的变化而迅速通过SIP信令调整会话参数和媒体流。

综上所述，我们认为在研究IMS业务在3G和WLAN间切换方案时，应从上层IMS业务性能的角度出发，将垂直切换过程与会话控制过程联合考虑，以带给用户更好的业务体验。鉴于IMS中主要是基于SIP的实时多媒体业务，我们认为基于SIP的移动性方案更适合为IMS实时多媒体业务提供移动性支持，并且SIP在实施、IP地址、可扩展性等方面还有诸多MIP无法比及的优势，因此下面的切换方案中我们采用SIP进行移动性管理和会话控制协议。

2. IMS业务会话在3G/WLAN间切换的流程

采用SIP来支持终端移动性和会话控制，不需引入新设备，SIP 注册服务器就是位于归属网络中的S-CSCF。MN改变其网络接入点后，需要以新的IP地址向归属域的SIP服务器(S-CSCF)发送REGISTER消息进行重新注册，以便能在新网络上接收到其他用户的会话请求。如果同时还处于SIP会话中，MN就需要向CN发送re-INVITE消息告知新的IP地址，并根据网络变化的情况适当调整优化会话参数。切换完成后，MN和CN之间的SIP信令和媒体流均可以通过新网络的直接优化路由传输，因此可以保证IMS业务在3G/WLAN网间的连续提供。

　　以UMTS向WLAN切换为例，我们说明一下切换和会话调整的流程。如图4所示，假设初始时刻3G/WLAN双模终端MN通过3G接入网UTRAN正在与CN进行某个IMS业务会话。当MN移动到WLAN接入网后，MN检测到新网络并通过决策过程决定进行切换，以下为具体切换流程: 步骤①MN进行第一层/第二层切换; 步骤②MN通过3GPP AAA Server 的鉴权认证，并获得业务授权; 步骤③MN与PDG之间建立隧道，获得用于和CN(对端主机) 通信的新的IP地址; 步骤④MN向CN发送re-INVITE消息，告知自己的新IP地址，并根据需要适当调整会话参数; 步骤⑤CN收到后向MN发送响应消息; 步骤⑥MN收到CN响应后按照新的会话参数调整RTP数据流，并发送ACK。CN收到ACK后也调整RTP数据流; 步骤⑦MN向归属域的SIP注册服务器发送REGISTER消息重新注册，告知新的IP地址; 步骤⑧SIP注册服务器将新的IP 地址和MN的SIP URI 绑定，然后发送注册成功响应。至此，切换完成，MN和CN之间的SIP信令和媒体流均可以通过WLAN AN传输，并使用优化路由。

　　五、存在的问题及改进思路

　　1. IMS安全认证的问题

　　3GPP现有IMS安全机制要求MN和P-CSCF建立安全关联，在会话中MN的SIP信令中不能改变源IP地址。而上述SIP方案中，MN可能在会话时的SIP信令中改变IP地址，这样必将破坏MN和P-CSCF间的安全关联，结果是MN和P-CSCF间必须重新双向鉴权认证，这样会引入新的延时，甚至造成通信的暂时中断。

　　为了减少对现有标准的修改，我们不建议修改3GPP现有安全机制。解决方法可以是在执行切换前提前鉴权认证，这样重新鉴权引入的时延不会对IMS业务性能造成影响。

　　2. SIP协议固有的不足之处

　　采用SIP 协议提供移动性支持也存在先天不足。

　　(1)SIP 不支持TCP 连接。切换中, IP 地址的改变会导致正在进行的基于TCP 的业务不再可用。因此，基于SIP 的移动性管理机制适用于运行在RTP/ UDP 之上的实时通信。基于TCP的业务的切换可通过其他移动性管理协议(如MIP)或者扩展的SIP EYE机制来支持。

　　(2)其次，在切换中，旧的IP 地址不可用到获得新的IP 地址并通知到CN之前，CN 找不到MN ，会导致会话数据的丢失。因此为了真正实现无缝的切换，有必要进一步研究SIP的“软切换”技术。

　　六、结束语

　　本文在研究IMS业务会话在3G和WLAN间切换方案时，从上层IMS业务性能的角度出发，将垂直切换过程与会话控制过程进行了联合考虑。鉴于IMS中主要是基于SIP的实时多媒体业务会话，本文提出了基于SIP实现3G/WLAN间IMS业务会话切换和会话优化的方案，该方案可以很好地支持实时IMS业务会话在3G/WLAN网间的连续性，但也存在一些不足之处尚待进一步完善，如需要进一步扩展才能支持非实时TCP业务，并且为了做到无缝切换，还需进一步研究SIP“软切换”技术，以改进切换中的性能。